【《微波开关设计的国内外文献综述》2500字】

微波开关设计的国内外文献综述开关在电子系统中是作为路径选择和决定信号流经方向的一种电子器件，广泛应用于无线通信收发系统、测量仪表等领域内。但是在早期集成电路生产技术以及制造工艺稍微起步，由于技术不发达，人们选择使用机械电子类开关来实现信号通通断与路径选择等功能的。早期的机械开关常见的有转子型和叶片型，其切换时间是以毫秒为单位的。而早期的电子类开关主要是铁氧体类型，尺寸比机械开关要小一些，而且开关的切换时间降到了微秒级。然而这种开关驱动螺线管时需要的功率峰值较大，而且还存在着长时间保持大的线圈电流的问题。[2]随着半导体行业的发展，二极管的单向导通特性被众人发现并用来制作开关。大概在20世纪50年代末，MurrayR.Millet首先提出用晶体二极管来制作开关[3]。其工作原理是通过控制二极管直流偏置来改变二极管的阻抗从而实现控制信号导通还是截止。此次开关切换时间在毫秒级，而且只需要比较低的驱动频率。随着对晶体二极管的研究的深入，PIN二极管的相关特性也被利用来制作开关。普通的二极管是PN结的结构，而PIN顾名思义是P-I-N结构。制造PIN二极管时，在P区与N区之间加入了一层薄的低掺杂高电阻率的本征(Intrinsic)半导体。1964年，M.E.Hines提出用该类二极管来设计微波开关[4]。因为有本征层，所以它在外加正向偏置电压时有着极小的导通电阻，此时视为开关导通状态。而外加反向偏置电压时，又有着比较低的关断电容，这对微波射频信号来说是高阻的，可视开关为截止状态。而且该类开关能够承受较高的功率。这一提出使PIN工艺成为了当时开关的主流设计工艺，而且到今天也仍在使用该类开关。但是由于它需要较大的直流功耗，所以仅在一些超大功率场合使用。对于无线通信系统的信号基站收发设备此类小型设备中，以场效应管（FET，fieldeffecttransistor）为核心的开关更为常用，因为它只需要很低的栅极电压就可控制其通断，在各种低功耗场合都十分适用。其中MOSFET和HEMT管较为常见。A.Klaassen和J.-M.Dieudonne在1995年的MTT-S国际微波研讨会上，报告了关于工作频率在77GHz的单片集成MMIC开关的设计、制造与评估[5]。其中单刀双掷（SPDT，singlepoledoublethrow）和单刀三掷（SP3T）皆使用的是0.25umGaAsMESFET（Metal-SemiconductorFieldEffectTransistor）技术中的肖特基二极管（SchottkyBarrierDiode,缩写成SBD）。这是肖特基二极管第一次在W波段（75到110

GHz）被用来制造成开关元件。另外还在硅SIMMWIC技术中，采用PIN二极管开发了SPDT开关。对于这几种不同类型的开关，在工作频率插入损耗可达到1.5-2.5dB，隔离度能达到高于20dB。随后又在1997年的MTT-S国际微波研讨会上，M.Case,M.Matloubian,Hsiang-ChihSun,D.Choudhury及C.Ngo等人报告了一种采用GaAsPIN二极管MMIC技术在共面波导(CPW，Co-PlanarWaveguide)的w波段单刀三掷开关（SP3T）[6]。在75~85GHz范围内，该开关的隔离度能达到高于20dB，插入损耗低于1.5dB的;而在整个75~110GHz频段（W波段）内，该开关能够达到大于16dB的隔离度和低于1.6dB的插入损耗。据我所知，那是当时第一份具有最先进性能的w波段CPWSP3T开关的报告。在2005年，美国的TimothyM.Hancock在研究设计24GHz汽车雷达的SiGe组件时设计出一款针对脉冲宽带的高隔离度的单刀双掷差分吸收开关[7]，他通过使用差分电流控制，实现了低于100ps的包络上升时间。该开关在通带中产生1.9dB的增益，而隔离度能到达35dB。在2016年，D.P.Nguyen,A.Pham和F.Aryanfar基于0.15umGaAs技术设计了一款工作在18~27GHz的MMIC单刀双掷开关[8]。分流FET的配置用于提供低的插入损耗和高隔离度，新型GaAs开关在22~26GHz范围内插入损耗最小能达到1.4dB，最高不超过2.5dB，其隔离度为44dB。在2019年，K.T.Trinh,H.Kao,H.Chiu和N.C.Karmakar提出了基于0.15µmGaAs工艺的工作在36–38GHz的MMIC单刀双掷开关[9]。该开关的插入损耗小于3.2dB，隔离度优于8dB，其端口的回波损耗均大于8.1dB。以上都是国外对于开关的研究，时间线较长。而国内对于开关的研究设计时间较短但是其发展还是较为迅速的，部分国内研究结果如下：中国科学院微电子研究生的吴茹菲在2008年研究出一款基于GaAsPIN二极管工艺，工作频率在8到20GHz的单片单刀双掷开关[10]。开关采用串联-并联-并联的拓扑结构，正向导通时，插入损耗最小可以达到1.5dB，其输入与输出端口的回波损耗小于-10dB。而关断状态的隔离度最大可以达到32dB。2009年时，中国电子科技集团公司第十三研究所的李富强、方圆、高学邦等人基于0.25μmGaAsPHEMT工艺设计出一款工作频率在18-30GHz（K/Ka波段）的并联反射型拓扑结构的单刀双掷开关[11]。该开关导通时插入损耗可以达到低于1.5dB，输入与输出驻波比小于1.5：1.而开关关断状态下隔离度大于30dB。2011年时，河北工业大学以及中国电子科技集团公司第十三研究所的王立发、杨瑞霞等人使用了两个PIN二极管设计出一种工作频率在8-20GHz的并联结构的高功率容量的单刀双掷开关[12]。电路设计中采用了一种新的结构（微带线匹配电路）解决了并联结构难以实现大的带宽的缺点。该开关在8-15GHZ内插入损耗低于1.5dB。在整个工作频率范围内能整体优于1.7dB，其隔离度也能优于21dB。2016年时中国科学院微电子研究所的刘宇辙、梁晓新等人基于0.15μmGaAsPHEMT工艺设计出一款宽带低插入损耗的串并联结构的单刀双掷开关[13]。该开关在基础的拓扑结构上引入键合线电感优化了电路的射频性能。在DC-6GHz的工作频率内,插入损耗优于0.55dB,隔离度优于24dB。2020年南京电子技术研究所的张浩和汪璨星研究出一款基于0.13μmSiGeBiCMOS工艺的工作在25～40GHz的非对称单刀双掷开关[14]。其发射模式下插入损耗小于1.8dB，隔离度大于19dB。2021年中北大学的范丽娜、吴倩楠等人研究出一种基于雪花型功分器的单刀五掷MEMS开关[15]，在1～20GHz频段内，五个端口插入损耗在0.2dB2以下、隔离度在23dB以上。参考文献[1]秦昌.GaAs微波开关与衰减器研究与设计[D].电子科技大学,2019.[2]宁欣宇.基于GaAs工艺的芯片级微波开关和可调滤波器的设计与研究[D].安徽大学,2020.[3]M.R.Millet.MicrowaveSwitchingbyCrystalDiodes[J].IRETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,1958,6(3):284-290[4]M.E.Hines.FundamentallimitationsinRFswitchingusingsemiconductordiodes[C].1963InternationalElectronDevicesMeeting,WashingtonDC,1963,30-30[5]Klaassen.AandDieudonne.J.-M.77GHzmonolithicMMICschottky-andPIN-diodeswitchesbasedonGaAsMESFETandsiliconSIMMWICtechnology.Proceedingsof1995IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposium[C],Orlando,1995:1631-1634[6]Case.M,Matloubian.MandSun.H.C,etal.High-performanceW-bandGaAsPINdiodesingle-poletriple-throwswitchCPWMMIC.IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest[C],Denver,1997:1047-1051[7]T.M.Hancock,G.M.Rebeiz.Designandanalysisofa70-psSiGedifferentialRFswitch[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2005,53(7):2403-2410[8]Nguyen.D.P,Pham.AandAryanfar.F.AK-bandhighpowerandhighisolationstacked-FETsinglepoledoublethrowMMICswitchusingresonatingcapacitor[J].IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2016,26(9):696-698[9]Trinh.K,Kao.T,HandChiuH,etal.AKa-BandGaAsMMICtraveling-waveswitchwithabsorptivecharacteristic[J].IEEEIEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2019,29(6):394-396[10]吴茹菲,尹军舰,刘会东,张海英.8～20GHzGaAspin二极管单片单刀双掷开关(英文)[J].半导体学报,2008(10):1864-1867.[11]李富强,方园,高学邦,吴洪江,刘文杰.毫米波单刀双掷开关的设计与制作[J].半导体技术,2009,34(01):17-20.[12]王立发,杨瑞霞,吴景峰,贾英茜.宽带pin二极管单刀双掷开关的设计与实现[J].半导体技术,2011,36(03):238-241.[13]刘宇辙,梁晓新,万晶,阎跃鹏.一种DC-6G